Molecole Magnetiche e Computer Quantistici S. Carretta

Molecole Magnetiche e Computer Quantistici Ferromagnetismo e magneti permanenti. Definizione di bit e limite superparamagnetico. Nanomagneti molecolari. Cosa sono? Definizione del qubit e superamento del limite superparamagnetico. Tunneling della magnetizzazione. Nanomagneti molecolari, qubit e computer quantistici. Conclusioni, problemi aperti e prospettive.

Ferromagnetismo e magneti permanenti Punto di partenza: un filo percorso da corrente genera un campo magnetico (H. Oersted 1820). solenoide Cu Fe Chiamiamo ferromagnetiche quelle sostanze che vengono attratte fortemente. -Se prendo due pezzi di ferro e li metto vicini “normalmente” non succede praticamente nulla. Fe -Se invece uno dei due era stato immerso in un campo magnetico attrae l’altro. Fe 1 2

Cosa è successo ? Il pezzo di ferro si è “magnetizzato”, è diventato un magnete Analizziamo meglio Misuriamo il campo magnetico prodotto dal pezzetto di ferro All’inizio il campione non produce campo magnetico (M=0). M Accendo il campo esterno (curva a) e M aumenta fino a saturarsi. Se ora spengo il campo esterno (curva b) il campione continua a produrre un campo magnetico (M>0). Si comporta come una calamita. Se ora riaccendo il campo in verso opposto e poi lo spengo il campione produce un campo opposto (M<0). Ho due stati possibili del campione: blu (M>0) e rosso (M<0).

Il sistema può essere preparato in due stati possibili Possiamo definire un bit: 1 oppure 0 Ad es. = 8 Possiamo immagazzinare informazioni

Sfida tecnologica: aumentare la capacità degli hard disk Come? Riducendo la dimensione dei bit Problema: abbiamo raggiunto il limite superparamagnetico Particelle magnetiche più piccole non conservano più la magnetizzazione

Nanomagneti molecolari Ci sono piccole (10-18 mm3) molecole che si comportano come un pezzo di ferro Al centro di queste molecole ci sono pochi atomi di Fe, Mn, Cr che danno origine al magnetismo

Perché si comportano come (nano)magneti? Il “moto” degli elettroni degli atomi di Mn genera correnti elettriche microscopiche Gli atomi si comportano come piccoli aghi magnetici Questi in alcune molecole si allineano lungo la stessa direzione: la molecola si comporta come un unico ago magnetico (uguale alla somma vettoriale degli “aghi” atomici)

Posso definire un bit con una sola molecola Se misuriamo il campo magnetico prodotto dalla molecola Se spengo il campo esterno la molecola continua a produrre un campo magnetico. Si comporta come un magnete Posso definire un bit con una sola molecola 1

Possiamo vincere la sfida tecnologica!

Differenze tra magneti e nanomagneti Meccanica quantistica Meccanica classica Il nanomagnete avrà delle caratteristiche in più Tunneling della magnetizzazione Quantum Bit e Quantum Computing

La barriera di potenziale Ad es. due valli separate da una montagna 1 Nel nanomagnete i “poli” si possono invertire “spontaneamente per effetto tunnel”

Quantum computation: dal bit al qubit In un magnete classico: Possiamo definire un bit: 1 oppure 0 In un nanomagnete: Possiamo definire un qubit: 1 oppure 0 NOVITA’: Il magnete quantistico può esistere in stati in cui ciascun qubit è contemporaneamente 0 e 1.

F(x) = x/2 x Calcolo classico Output: Input: Ogni (treno)bit di input vale 0 o 1 Dato un input x ho solo l’output per quel valore di x F(x) = x/2 Output: operazione logica elementare x Input:

Calcolo parallelo quantistico Ogni (treno)qubit di input vale contemporaneamente sia 0 che 1 In un singolo calcolo ho l’output per tutti i possibili valori di x Output: Tutti i possibili valori di F(x) = x/2 operazione logica elementare Input: Tutti i valori di x

Permette con un singolo calcolo di effettuare un numero enorme di operazioni Applicazioni: Può permettere di risolvere problemi impossibili per i computer classici, ad es. fattorizzazione in numeri primi di interi molto grandi. Crittografia Ricerca di informazioni in un database

Conclusioni e prospettive I nanomagneti sono molecole che posseggono le tipiche caratteristiche dei magneti macroscopici. Permettono di definire dei (qu)bit di scala nanometrica che possono essere utilizzati per realizzare memorie ad elevata densità. I nanomagneti mostrano fenomeni tipicamente quantistici: ad es. tunneling della magnetizzatione. I qubit permettono di sfruttare il “parallelismo quantistico” e quindi di realizzare computer che possono risolvere problemi “classicamente intrattabili”.

Quali sono i problemi aperti? Memorie ad alta densità: temperature di utilizzo troppo basse. Quantum computation: decoerenza. Bisogna raggiungere la temperatura dell’azoto liquido T = -196 Co Modello microscopico accurato che descriva tutte le proprietà dei nanomagneti Progettare molecole con le caratteristiche richieste

Cold neutron time-focussing spectrometer IN6 Come sviluppare modelli teorici adeguati? Progettando opportuni esperimenti su questi sistemi ed interpretando i dati sperimentali. Esempio. Si ottengono molte informazioni sul “moto degli elettroni” se si fanno collidere dei neutroni sul campione e si studia come questi vengono deviati. Cold neutron time-focussing spectrometer IN6

Si studiano i livelli energetici del sistema Il modello teorico interpreta i dati molto bene, la barriera è raddoppiata Aumenta la temperatura di utilizzo